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22.2 新能源的发展
第二十二章 能源与可持续发展
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2025年新教材精品物理课件
学习目标
物理观念 了解核能的特点及其来源与利用，知道太阳能的由来，了解利用太阳能的方式及其新进展，能利用能源的知识解释生活中的有关现象。
科学思维 了解核能利用及核废料处理的实例，能表达自己的观点，具有初步的科学论证能力。
科学探究 结合实例认识地球上的大部分能源来源于太阳能，能提出问题，能用能量转化和转移的观点形成猜想与假设。
科学态度 与责任 通过了解我国在核能利用方面的新成就，增强民族自豪感和使命感，体会新能源开发对人类生存和社会发展的推动作用。
教学重点
核能的特点与应用；太阳能的来源与利用。
教学难点
裂变和聚变；太阳能的利用。
重点难点
为了解决利用化石能源带来的问题，人们着手开发各种新能源。
你知道的新能源有哪些？
导入新课
一、核能
1. 原子核的组成
原子核
（带正电）
质子（带正电）
中子（不带电）
原子核通常由质子和中子组成，质子带正电荷，其电荷量跟电子的电荷量相等，中子不带电；质子的质量大约是电子的1836倍，中子和质子的质量几乎相同。质子和中子构成非常小的原子核，就像几颗豆粒挤在一个非常大的广场中央。
原子核
中子
质子
一、核能
原子与原子核的大小比较
形象来说，就是地球和乒乓球的比例，大约一比一千亿。
原子的直径
约10-10m
原子核的直径约10-15m
原子核极小，它的直径在10-16m～10-14m之间，体积只占原于体积的几千亿分之一，在这极小的原子核里却集中了99.95％以上原子的质量。
一、核能
2. 核能
（1）核能：质子、中子依靠强大的核力紧密地结合在一起，因此原子核十分牢固，要使它们分裂或结合是极其困难的。但是，一旦质量较大的原子核发生分裂或者质量较小的原子核相互结合，就有可能释放出惊人的能量。这种能量就是核能。
（2）释放核能的方式：核裂变和核聚变。
核裂变
核聚变
一、核能
（1）裂变：1934至1938年，科学家先后用中子轰击质量比较大的铀235原子核，使其发生裂变，发现一个核分裂成两个质量中等大小的原子核，同时释放出大量的能量。奇妙的是，铀235核在分裂成两个别的原子核的时候，又放出2至3个中子。
3. 裂变
能量
铀核
新原子核
新原子核
一、核能
当中子轰击铀核时，铀核发生裂变，释放大量核能的同时产生出几个新的中子，这些中子又会轰击其他铀核……于是就导致一系列铀核持续裂变，并释放出大量核能。这就是裂变中的链式反应。
（2）链式反应
中子
铀核
一、核能
链式反应如果不加以控制，大量原子核就在一瞬间发生裂变，释放出极大的能量。根据这一原理，在人类实现可控核裂变大约三年后，即1945年，利用不加控制的核裂变制造的毁灭性武器——原子弹爆炸了。
①原子弹
（3）裂变的应用
②核电站
核电站利用裂变产生的核能发电，它的核心设备是核反应堆。1942年，人类利用核反应堆第一次实现了可控制的铀核裂变。
核反应堆
核反应堆是原子核发生链式反应的场所，它能够控制链式反应的速度，缓慢、平稳地释放核能的装置。
核反应堆示意图
一、核能
核电站将反应堆中放出的核能转化为高温蒸汽的内能，通过汽轮机转化为机械能，再通过发电机转化为电能，核电站发电时的能量转化情况：核能→内能→机械能→电能。
核能
内能
内能
机械能
电能
核
裂变
蒸汽发生器
发
电机
汽轮机
核电站的工作原理及能量转化
一、核能
下图是我国自主设计、制造的具有世界先进水平的核电站.
我国的一些核电站
一、核能
4. 聚变
（1）聚变：如果使某些质量很小的原子核，例如氘核（由一个质子和一个中子构成）与氚核（由一个质子和两个中子构成），在超高温下结合成新的原子核——氦核，也会释放出巨大的核能，这就是聚变，有时也称为热核反应。
形成氦核
氘核
氚核
超高温
发生条件
被释放的中子
能量
聚变过程
一、核能
（2）氢弹
氘核和氚核都属于氢核的一种。大量氢核的聚变，可以在瞬间释放惊人的能量。氢弹利用的就是聚变瞬间释放的能量。
氢弹爆炸产生的蘑菇云
一、核能
（3）太阳内部的聚变
在太阳内部，氢原子核在超高温下发生聚变，释放出巨大的核能。因此可以说，太阳核心每时每刻都在发生氢弹爆炸，比原子弹爆炸的威力更大。太阳核心释放的能量向外扩散，可以传送到太阳表面。太阳表面温度约为6 000 ℃，就像一个高温气体组成的海洋。大部分太阳能以热和光的形式向四周辐射出去。太阳这个巨大的“核能火炉”已经“燃烧”了近50亿年。
目前，它正处于壮年，要再过50亿年才会燃尽自己的核燃料。那时，它将膨胀为一个巨大的红色星体……
（4）海水中的核能
如何实现可控聚变，如何利用可控聚变释放的核能，科学家正在积极地探索着。海水中蕴藏着丰富的、可以实现聚变的氘核。科学家预言，通过可控聚变来利用核能，有望彻底解决人类能源问题。
1升海水所含氘产生的聚变能等同于300升汽油所释放的能量。海水中氘的储量可使人类使用几十亿年。
一、核能
核反应堆是通过可控裂变反应释放核能的设备。反应堆内的铀核发生裂变时，会释放能量，也会产生放射线。如果放射线泄漏到反应堆外面，会对人和其他生物造成伤害，所以核反应堆都封闭在一个厚厚的钢筋混凝土壳中。
5. 核电站和核废料处理
（1）核泄漏的危害
核电站一旦发生核泄漏事故，就可能产生严重的危害，所以核电站的安全性应得到高度重视。为此，科学家们制订了严格的安全措施和安全标准。
切尔诺贝利核电站事故于1986年4月26日发生在乌克兰境内的普里皮亚季市，核反应堆全部炸毁，大量放射性物质泄漏，成为核电时代以来最大的事故。事故后有31余人当场死亡，200多人受到严重的放射性辐射，之后15年内有6-8万人死亡，13.4万人遭受各种程度的辐射疾病折磨，方圆30公里地区的11.5万多民众被迫疏散。
一、核能
（2）核电站严格的安全措施和安全标准
以秦山核电站为例，它有三道屏障，用于防止放射性物质的外泄。
第一道屏障是锆-4合金包壳，它把核燃料及其裂变产物封闭起来。
第二道屏障是壁厚为175mm钢板制成的反应堆压力容器及相应的管道设施，它把反应堆冷却剂包容在里面，防止有放射性的冷却剂外泄。
第三道屏障是反应堆安全壳，它是高72.5m、外径38m、厚1米的钢筋混凝土制成的圆柱形建筑，内衬6mm的钢板。安全壳也能抵御外部破坏。
一、核能
（3）核废料的处理
核电站使用过的核燃料成为核废料。由于核废料仍具有放射性，对环境会造成相当大的危害，因此要将核废料深埋到人迹稀少的沙漠地带。
美国尤卡山核废料处置
一、核能
【例题1】物质是由分子或原子组成的，______ 的发现，说明原子是可以再分的；原子是由原子核和核外_____ 组成的，原子核由质子和______ 组成。如图所示，是不同科学家提出的原子模型，其中 _____（选填“A”或“B”）是卢瑟福提出的原子核式结构模型。
电子
B
电子
中子
【例题2】如图是我国的大亚湾核电站，是利用核能来大规模生产电能的发电站。关于核能和核电站，下列相关说法中正确的是（　　）
A．核能是可再生能源 B．核能不会对人类造成危害
C．核电站是利用裂变的链式反应发电的
D．核电站发电时，把核能直接转化为电能
C
二、太阳能
远古时期陆地和海洋中的植物，通过光合作用，将太阳能转化为生物体的化学能。在它们死后，躯体埋在地下和海底，经过几百万年的沉积、化学变化、地层的运动，在高压下渐渐变成了石油和煤。在石油形成过程中还放出天然气。
躯体埋在地下
和海底，腐烂
动、植物通过光合作用
将太阳能转化为化学能
几百万年的沉积、化学变化、地层的运动
变成了石油和煤
1. 储存在化石燃料中的太阳能
二、太阳能
（1）集热器
集热器收集阳光中的能量来加热水等物质，把太阳能直接转化为内能。
转化
太阳能
内能
2. 直接利用太阳能
平板式集热器的箱面是玻璃，内部有涂黑的吸热板，可以吸收太阳辐射并转化为内能，从而将集热器管道内的水流加热。
集热器的原理
二、太阳能
（2）太阳能电池
太阳能电池，是一种在光的照射下产生电动势的半导体元件，直接把太阳光转变成电。光电池的种类很多，常用的有硒光电池、硅光电池和硫化铊、硫化银光电池等。
太阳能电池在生活、生产、航空航天、交通、通信等领域中有着重要的应用。
太阳能路灯
太阳能汽车
卫星上的太阳能电池板
二、太阳能
（1）海洋能
海洋能也是人们可以利用的新能源，都可以用来发电。我国建设了数座潮汐电站，潮汐能不是来源于太阳能。潮汐能是因月球引力的变化引起潮汐现象，导致海平面周期性升降，因海水涨落及潮水流动所产生的能量。
3. 一些新能源
（2）风能
风能也是人们可以利用的新能源，都可以用来发电。我国建成了许多“风车田”，场面蔚为壮观。
二、太阳能
【例题3】太阳能是人类优先开发和利用的新能源之一，关于太阳能的利用，下列说法中正确的是（ ）
A．图甲，绿色植物通过光合作用将太阳能转化为植物的化学能
B．图乙，太阳能路灯将太阳能直接转化为路灯的光能
C．图丙，首架环球航行的太阳能飞机将太阳能直接转化为飞机上电池的化学能
D．图丁，太阳能热水器通过做功将太阳能转化为水的内能
A
三、课堂总结
核裂变
太阳能的利用
质量较大的原子核发生分裂或者质量较小的原子核相互结合，就可能释放出惊人的能量，这种能量被称为核能.
①质量较大的原子变成两个质量中等大小的原子核的过程.
②使很多个铀核在极短的时间内相继裂变，叫链式反应.
③应用：核电站（可控制）、原子弹（不可控制）.
①质量较小的原子核在超高温下结合成新的原子核的过程.
②释放出更加巨大的能量。应用：氢弹.
①光电转换：指太阳能直接转化为电能.
②光热转换：把太阳能直接转化为内能.
③光化转换：把太阳能转化为化学能储存在生物体内.
核 能
核聚变
四、教材课后练习与应用
1. 原子、原子核、电子、中子、质子，它们之间有什么关系？哪些是不带电荷的？哪些是带电荷的？带的是哪种电荷？
【解析】原子是由原子核和核外电子组成，原子核由质子和中子组成。原子、中子不带电，电子带负电，质子、原子核带正电。
2. 原子和原子核的尺寸究竟有多大？研究表明，若把它们都看成一个球体，原子半径的数量级为10 10 m，原子核半径的数量级为10 15 m。打个比方，如果原子的大小跟北京奥运会“鸟巢”体育场一样大，那么原子核该有多大？是相当于篮球、乒乓球，还是绿豆的大小？
【解析】绿豆。“鸟巢”体育场南北约为333m，设原子为体育场大小，原子核直径为R，则有：333m/R= 10 10 m/ 10 15 m
则R=3.33×10-3m=3.33mm，所以原子核大小相当于绿豆大小。
四、教材课后练习与应用
3. 什么是原子核的聚变？人类关于聚变的应用已经取得的成就是什么？还有什么问题急需解决？【解析】将某些质量很小的原子核，在超高温下结合成新的原子核，同时释放出巨大的核能，这就是聚变，聚变也称为热核反应。
人类关于核聚变的应用已取得的成就：氢弹是人类利用聚变制造的一种核武器。
急需解决的问题：如何实现可控的聚变反应获取核能。
4. 有人说，我们现在开采的煤、石油等化石能源，实际上都来源于上亿年前太阳上的核能。请你说明这句话的道理。【解析】煤、石油等能源是由远古时期陆地和海洋中的植物，通过光合作用，将太阳能转化为生物体的化学能，再经长期地质作用形成的。如今开采化石燃料来获取能量，本质上是利用远古生物储存的太阳能。而太阳能是在太阳内部，由氢原子核在超高温下发生聚变而释放出的大量核能。
四、教材课后练习与应用
5. 人类利用太阳能的实质，是将太阳能转化为其他形式的能量。太阳能转化为其他形式能量的方式有三种：一是光热转换，例如用太阳能集热器把水加热；二是光化转换，把太阳能转化为化学能；三是光电转换，把太阳能
转化为电能。图画出了这三种转化
的方框图。其中椭圆表示转化的装
置或物体，菱形表示由太阳能所转
化的另一种能量形式。请在图中的
三个空白处填入相关的文字。
植物的
光合作用
内能
太阳能
电池板
下 课
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